¿Qué es un reactor de agua a presión (PWR)?

La energía nuclear es una fuente vital de energía y los reactores de agua a presión (PWR) son su implementación más común. Estos reactores utilizan una reacción en cadena controlada para generar calor, que impulsa las turbinas que producen electricidad.

En este artículo se analiza el funcionamiento interno de los reactores de agua a presión, sus componentes, procesos y características. Se examinará cómo la fisión produce energía y se explorará cómo se diseñan los sistemas del reactor y las ventajas y desventajas de este diseño.

¿Qué es un reactor de agua presurizada?

Un reactor de agua a presión (PWR) es un tipo de reactor nuclear que utiliza agua corriente, conocida como agua ligera, como refrigerante y moderador de neutrones. Este diseño se caracteriza por mantener el agua en el circuito de refrigeración primario a alta presión. Esto evita que el agua hierva, incluso a altas temperaturas de funcionamiento. El calor generado se transfiere luego a un circuito secundario, produciendo vapor para la generación de electricidad. Los PWR son el tipo de reactor nuclear más común utilizado en las centrales nucleares de todo el mundo.

Cómo funcionan los reactores de agua a presión

El funcionamiento de un PWR implica varios procesos clave, incluida la fisión nuclear, la transferencia de calor, la generación de vapor, la generación de electricidad y el reciclaje de agua.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es el proceso que se encuentra en el centro de la producción de energía en un reactor de agua a presión. Implica la división de núcleos atómicos pesados, como el uranio, cuando son bombardeados con neutrones. Este proceso de división libera una gran cantidad de energía en forma de calor y también libera más neutrones. Estos neutrones liberados pueden inducir más reacciones de fisión, creando una reacción en cadena autosostenida dentro del núcleo del reactor. Esta reacción en cadena se controla cuidadosamente mediante el uso de barras de control que absorben neutrones, lo que garantiza que la velocidad de reacción sea estable y segura.

Transferencia de calor

El calor generado por la fisión nuclear en el núcleo del reactor se transfiere al circuito de refrigeración primario. Este circuito contiene agua que se mantiene a alta presión para evitar que hierva. El agua calentada circula a través del núcleo del reactor y luego al generador de vapor. En el generador de vapor, esta agua calentada pasa por tubos y transfiere su calor al agua del circuito secundario. El circuito de refrigeración primario funciona como un sistema cerrado, en el que circula la misma agua repetidamente.

Generación de vapor

El circuito secundario de un reactor de agua a presión es donde se genera el vapor. El calor transferido del circuito primario al secundario calienta el agua del circuito secundario. Esta agua se convierte en vapor a alta presión. Este vapor a alta presión se utiliza para impulsar las turbinas. La separación de los circuitos de agua primario y secundario garantiza que cualquier material radiactivo permanezca contenido en el circuito primario, lo que mejora la seguridad.

Generación de electricidad

El vapor a alta presión producido en el generador de vapor se dirige a una turbina. La fuerza del vapor hace girar las aspas de la turbina, que está conectada a un generador de electricidad. El generador convierte la energía mecánica de la turbina giratoria en energía eléctrica. Esta electricidad se distribuye luego a través de las redes eléctricas a hogares e industrias.

Condensación y reciclaje de agua

Después de pasar por la turbina, el vapor se enfría y se vuelve a condensar en agua en un condensador. Este proceso permite reciclar el agua en el circuito secundario, donde se precalienta y se devuelve al generador de vapor para volver a utilizarse. Este sistema de circuito cerrado minimiza el consumo de agua y maximiza la eficiencia.

Componentes de los reactores de agua a presión

Un PWR está formado por varios componentes clave:

Núcleo del reactor

El núcleo del reactor es donde se produce la fisión nuclear y está formado por:

• Barras y conjuntos de combustible:Las barras de combustible, que contienen el combustible nuclear, están dispuestas en conjuntos. Estos conjuntos están sumergidos en agua dentro del núcleo del reactor.
• Combustible:El combustible utilizado es uranio enriquecido, que se presenta generalmente en forma de pastillas de cerámica.
• Barras de control:Estas barras están hechas de materiales que absorben neutrones, como el boro o el cadmio. Se insertan en el núcleo para regular la velocidad de la fisión nuclear absorbiendo neutrones y manteniendo una reacción en cadena estable.

Recipiente de presión del reactor

El recipiente de presión del reactor es un contenedor grande y robusto que alberga el núcleo del reactor, el refrigerante y otros componentes internos. Está diseñado para soportar altas temperaturas y presiones.

Moderador y refrigerante

El agua corriente (agua ligera) actúa como moderador de neutrones y refrigerante en un reactor de agua a presión. Como moderador, ralentiza los neutrones liberados durante la fisión, lo que aumenta la probabilidad de que provoquen reacciones de fisión adicionales. Como refrigerante, elimina el calor generado por la fisión.

Presurizador

El presurizador es un recipiente conectado al circuito primario que mantiene el sistema a una presión alta y constante. Utiliza calentadores y agua para controlar la presión del refrigerante primario, evitando que hierva.

Generador de vapor

El generador de vapor transfiere calor del circuito de refrigeración primario al circuito secundario. El agua del circuito secundario se convierte en vapor, que luego se utiliza para impulsar las turbinas.

Circuito de refrigerante primario

El circuito de refrigeración primario es un sistema cerrado que contiene el núcleo del reactor, el presurizador y el generador de vapor. Hace circular agua a alta presión para transferir calor desde el núcleo del reactor hasta el generador de vapor.

Circuito de refrigerante secundario

El circuito de refrigeración secundario contiene el generador de vapor, la turbina, el condensador y las tuberías asociadas. Está separado del circuito primario. Lleva vapor a la turbina y devuelve agua al generador de vapor.

Características clave de los reactores de agua presurizada

Varias características clave definen los PWR:

• Sistema de agua presurizada:El circuito de refrigerante primario se mantiene a alta presión para evitar que el agua hierva, lo que permite una transferencia de calor eficiente a altas temperaturas.
• Sistema de dos bucles:La separación de los circuitos de refrigeración primario y secundario evita que materiales radiactivos lleguen a la turbina de vapor y garantiza la seguridad.
• Reactor de agua ligeraLos reactores PWR utilizan agua común como moderador de neutrones y refrigerante, que está fácilmente disponible y es eficaz para el proceso.

Ventajas de los reactores de agua a presión

• Operación estable: El uso de un coeficiente de temperatura negativo garantiza la autorregulación del reactor. Si la temperatura aumenta, la tasa de fisión disminuye, lo que evita picos de potencia incontrolados.
• Transferencia de calor efectiva: El agua es un excelente refrigerante, lo que hace que la eliminación de calor del núcleo del reactor sea eficiente.
• Separación de bucles: La separación de los circuitos primario y secundario evita que materiales radiactivos entren en el sistema de la turbina de vapor, mejorando la seguridad.

Desventajas de los reactores de agua presurizada

• Presión alta: La alta presión en el circuito de refrigerante primario requiere sistemas de contención robustos y costosos.
• Uranio enriquecido: Los reactores PWR requieren combustible de uranio enriquecido, que es más caro y complejo de producir.
• Corrosión: Las altas temperaturas y presiones dentro del sistema del reactor pueden provocar la corrosión de los componentes con el tiempo, lo que requiere mantenimiento e inspecciones regulares.
• Posibilidad de accidentes: Si bien existen medidas de seguridad, la posibilidad de que se produzca un accidente grave con liberación de radiación sigue siendo una preocupación que requiere medidas de seguridad avanzadas y planificación de emergencia.
• Gestión de residuos: Los reactores de agua a presión producen residuos radiactivos que requieren una manipulación, almacenamiento y eliminación cuidadosos, lo que supone un desafío ambiental a largo plazo.